集合論(一)

3是什么?

如果要對一個小朋友解釋3是什么,我們該怎么做呢?伸出三根手指?擺出三支筆?告訴他這是一個可以和它的其他同類做加法乘法運(yùn)算的數(shù)字?或者只是一個寫在紙上的符號?


如果在我們的面前有一棵樹,我們指著它說這是樹,那它就代表了樹。相反,我們不能站在任何一個實(shí)體面前指著它說這是3,它似乎只是一個存在于我們大腦中的抽象概念。但是,幾乎沒有人認(rèn)為自己不知道3是什么東西,當(dāng)一個人提到3的時候沒有人會問3是什么。當(dāng)然,除了3,我們還知道0、1、2、4、5、6、7、8、9……,它們的存在性和對“它們是什么”這樣問題的回答就像是一個毋庸置疑的真理,如此自然,因此我們把它們稱之為自然數(shù)。


果真如此嗎?


假設(shè)我們想數(shù)一個筐子里有多少個蘋果,我們可以把蘋果一個個拿出來用自然數(shù)數(shù):一個蘋果、兩個蘋果……直到我們發(fā)現(xiàn),有一個蘋果被切開了一半。這時候我們要怎么繼續(xù)數(shù)下去呢?半個蘋果?這里涉及到一個同一性問題,如果我們不承認(rèn)一個蘋果是蘋果,倒也無妨。


但是隨著對精確性的追求,自然數(shù)無法再滿足人們的需求。例如,當(dāng)我們想定義2-3這樣的運(yùn)算;當(dāng)我們把一條3米長的線從正中間剪開,并且想測量剩下兩段的長度;以及,最最糟糕的,當(dāng)我們有一個邊長是3米的正方形,我們想測量它的對角線長度。


因此,隨著應(yīng)用的需求,整數(shù)、有理數(shù)以及實(shí)數(shù)的概念隨之產(chǎn)生。這些抽象概念的產(chǎn)生是一個逐步實(shí)現(xiàn)的過程,換言之,它們都有一個從模糊的概念到逐漸嚴(yán)格的過程。作為簡單的應(yīng)用,模糊的概念看起來已經(jīng)足夠,我們可以輕松地定義整數(shù)-1=2-3、有理數(shù)3/2是被剪開的那兩條線的長度,而無理數(shù)3乘根號2是邊長為3的正方形的對角線長度。但是,我們無法回答更深入更具有一般性的復(fù)雜問題,例如:

“任給兩個實(shí)數(shù)a和b,如果a<b,是否在a和b之間總是存在一個有理數(shù)c,使得a<c<b?”

“任給一堆非無窮實(shí)數(shù),是否存在一個實(shí)數(shù)使得它比所有這堆實(shí)數(shù)都要大且又是所有比這堆實(shí)數(shù)都要大的實(shí)數(shù)中最小的那個?”


定義的不嚴(yán)格性為數(shù)學(xué)理論的研究帶來了很大的問題。微積分在17世紀(jì)就由牛頓和萊布尼茲提出并且在現(xiàn)代數(shù)學(xué)中被極為廣泛的應(yīng)用,但是由于微積分中所謂“無限小”的這一概念在被提出之初并未被嚴(yán)格精確定義,人們對一些問題無法給出答案,例如:“一個函數(shù)的間斷點(diǎn)要多到什么程度才能使得我們不能求出它的積分?”、“對于一個函數(shù)的求導(dǎo)和積分運(yùn)算是否可以交換其運(yùn)算順序?”?!盁o窮小”概念的模糊引起了第二次數(shù)學(xué)危機(jī),由此引發(fā)了一系列為數(shù)學(xué)提供更堅(jiān)實(shí)、更嚴(yán)格理論基礎(chǔ)的研究,嚴(yán)格性也成為了現(xiàn)代數(shù)學(xué)研究的一個最重要特點(diǎn)。


數(shù)學(xué)中很多概念的模糊性來源于“無窮”這個概念,而無窮這個概念幾乎出現(xiàn)在數(shù)學(xué)研究的每一個地方。在追求數(shù)學(xué)嚴(yán)格化地背景之下,數(shù)學(xué)家康托爾在19世紀(jì)末提出了集合論,對無窮的概念做出了一系列精確的定義。并且基于這些定義回答了諸如自然數(shù)和實(shí)數(shù)那個更多的問題,以及上面那兩個看似復(fù)雜的問題。


而集合論不僅限于此,在分析哲學(xué)鼻祖弗雷格等人的推動下,集合逐漸成為了定義許多數(shù)學(xué)概念甚至哲學(xué)概念的基礎(chǔ),它在關(guān)于理性和智慧的精神世界中肆意的繁衍,逐漸成為了一切的定義一切的本原,讓我們可以用集合構(gòu)造出精神世界中的一切符合邏輯的東西,當(dāng)然也包括所有的數(shù)字。


現(xiàn)在我們可以回答這個問題了。3是什么?集合論告訴我們,3是一個集合。


然而,讓弗雷格沒想到的是,在他用集合論打下地基的大廈即將完工之際,當(dāng)時還年輕的哲學(xué)家羅素寫了一封信告訴他,大廈的地基似乎出了點(diǎn)問題。這個問題帶來了第三次數(shù)學(xué)危機(jī),并且直到今日,那種看起來對其有些許拆東墻補(bǔ)西墻的挽救方式仍然存在爭論。

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